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1、偏振现象的观察与分析Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望实验实验目的目的1. .观察光的偏振现观察光的偏振现象象, ,巩固理论知识巩固理论知识. .2. .掌握产生与检验偏振光的原理和方法掌握产生与检验偏振光的原理和方法. . 仪器及用具仪器及用具分分光光计计、纳纳光光灯灯、偏偏振振片片、1/4波波片片、半波片和平面半波片和平面镜等镜等. .原理原理 光光是是一一种种电电磁磁波波, ,它它的的电电矢矢量量E和和磁磁矢矢量量H相相互互垂垂直直, ,且且均均垂垂直直于于光光的
2、的传传播播方方向向. .通通常常用用电电矢矢量量E代代表表光光的的振振动动方方向向, ,并并将将电电矢矢量量E和和光光的的传传播播方方向向所所构构成成的的平平面面称称为为该该偏偏振振光光的的振振动动面面. .在在传传播播过过程程中中,电电矢矢量量的的振振动动方方向向始始终终在在某某一一确确定定方方向向的的光光称称为为平平面面偏偏振振光光或或线线偏偏振振光光. .若若振振动动只只是是在在某某一一确确定定的的方方向向上上占占有有相相对对优优势势, ,则则称称为为部部分分偏偏振振光光. .还还有有一一些些光光, ,它它的的振振动动面面和和电电矢矢量量随随时时间间作作有有规规律律的的变变化化, ,而而
3、电电矢矢量量末末端端在在垂垂直直与与传传播播方方向向的的平平面面上上的的轨轨迹迹呈呈椭椭圆圆或或圆圆, ,这这样样的光称为椭圆偏振光或圆偏振光的光称为椭圆偏振光或圆偏振光. .1. .平面偏振光的产生与检验平面偏振光的产生与检验 （1）利用反射（或透射）起偏）利用反射（或透射）起偏 自自然然光光在在某某些些非非金金属属（如如水水、玻玻璃璃等等）表表面面上上反反射射时时, ,一一般般说说来来, ,反反射射光光和和折折射射光光都都是是部部分分偏偏振振光光,由由布布儒儒斯斯特特定定律律可可知知,反反射射光光与与折折射射光光偏偏振振化化的的程程度度决决定定于于光光在空气中的入射角在空气中的入射角 ,
4、,当当 n1n2N反射光为完全偏振光反射光为完全偏振光, ,其振动面与其振动面与入射面垂直入射面垂直, ,入射角入射角 称为布儒斯称为布儒斯特角亦称全偏振角特角亦称全偏振角. .对于空气的折对于空气的折射率射率n1=1.00, ,玻璃的折射率玻璃的折射率n2=1.50, 布儒斯特角约为布儒斯特角约为 =56.3 . . 1. .平面偏振光的产生与检验平面偏振光的产生与检验（2）利用晶体的双折射起偏）利用晶体的双折射起偏 当自然光入射到某些各向异性晶体（如冰洲石、石英）当自然光入射到某些各向异性晶体（如冰洲石、石英）时时, ,在晶体内折射后分解为两束平面偏振光在晶体内折射后分解为两束平面偏振光,
5、 ,并以不同速度并以不同速度在晶体内传播在晶体内传播, ,这种现象称为双折射这种现象称为双折射. .在方解石、石英等晶在方解石、石英等晶体内体内, ,都有一个特殊方向都有一个特殊方向, ,光沿这个方向传播时光沿这个方向传播时, ,不发生双不发生双折射折射, ,这个方向称为晶体的光轴这个方向称为晶体的光轴, ,通过光轴并与晶体表面正通过光轴并与晶体表面正交的平面称为主截面交的平面称为主截面. .若入射面与主截面重合则双折射产若入射面与主截面重合则双折射产生的两束平面偏振光的振动面互相垂直生的两束平面偏振光的振动面互相垂直, ,其中一束光的振其中一束光的振动垂直于晶体主截面动垂直于晶体主截面, ,
6、称为寻常光（简称称为寻常光（简称O光）光）. .另一束光另一束光的振动平行于晶体的主截面的振动平行于晶体的主截面, ,称为非常光（简称称为非常光（简称e光）光）, ,在在晶体内只有沿光轴方向传播时晶体内只有沿光轴方向传播时O光和光和e光的速度相等光的速度相等, ,而沿而沿其它方向传播时它们的速度不相等其它方向传播时它们的速度不相等. . 1. .平面偏振光的产生与检验平面偏振光的产生与检验（3）利用晶体的二向色性起偏）利用晶体的二向色性起偏 有些晶体（如电气石人造偏振片等）对两个相互垂有些晶体（如电气石人造偏振片等）对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领直振动的电矢量具有不同的吸收本领,
7、 ,这种选择吸收性这种选择吸收性称为二向色性称为二向色性. .当自然光通过二向色性晶体时当自然光通过二向色性晶体时, ,其中一成其中一成分的振动几乎被完全吸收分的振动几乎被完全吸收, ,而另一成分的振动几乎没有而另一成分的振动几乎没有损失损失. .因些因些, ,透过光成为平面振动光透过光成为平面振动光. .偏振片是一种常用偏振片是一种常用的起偏元件的起偏元件, ,用它可获得截面积较大的偏振光束用它可获得截面积较大的偏振光束. . 2.马吕斯定律 电矢量为电矢量为E强度为强度为I0的线偏振光垂直入射到一个理想的的线偏振光垂直入射到一个理想的偏振片偏振片( (检偏器检偏器) )上上, ,若入射光电
8、振动矢量若入射光电振动矢量E和偏振片偏振方和偏振片偏振方向之间的夹角为向之间的夹角为 , , 则透射光强为则透射光强为 (2)式式为为马马吕吕斯斯定定律律. .当当以以光光的的传传播播方方向向为为轴轴旋旋转转检检振振器器时时, ,透透射射光光强强I将将发发生生周周期期性性变变化化. .当当 =0时时, ,透透射射光光强强最最大大（最最亮亮）；当当 =90时时, ,透透射射光光强强最最小小（最最暗暗）；当当0 90时时, ,透射光强度介于最亮与最暗之间透射光强度介于最亮与最暗之间. .3.波片与圆偏振光和椭圆偏振光 波片由正晶体或负晶体制成波片由正晶体或负晶体制成, ,常用来改变光的偏振状态常用
9、来改变光的偏振状态. .当一束振幅为当一束振幅为A的线偏振光垂直入射到表面平行于光轴的晶的线偏振光垂直入射到表面平行于光轴的晶片上，且光的振动面与晶片光轴夹角为片上，且光的振动面与晶片光轴夹角为 时，则在晶片表面时，则在晶片表面上，偏振光上，偏振光O光与光与e光的振幅分别为光的振幅分别为Asin 与与Acos . .二光传播二光传播的方向相同的方向相同, ,但这两束振动面互相垂直的光由于在晶体中传但这两束振动面互相垂直的光由于在晶体中传播速度不同，因而会产一位相差播速度不同，因而会产一位相差. .设晶片厚度为设晶片厚度为l, ,晶体对晶体对O光光的折射率为的折射率为n0, ,对对e光的折射率为
10、光的折射率为ne, ,于是经晶片射出后于是经晶片射出后O光、光、e光的位相差为光的位相差为 波片与圆偏振光和椭圆偏振光 O光与光与e光为两个同频率、有固定相位差光为两个同频率、有固定相位差, ,互相垂直的振互相垂直的振动动, ,则两光的波动方程为则两光的波动方程为 式中式中Ao=Asin , ,Ae=Acos . .从（从（4）、（）、（5）二式中消去）二式中消去t, ,得得 一般说一般说, ,此式为一椭圆方程即合振动的轨迹在垂直于传播此式为一椭圆方程即合振动的轨迹在垂直于传播方向的平面内且呈一椭圆形方向的平面内且呈一椭圆形. .它代表椭圆偏振光它代表椭圆偏振光. . 讨论（1）当=2k（k=
11、1,2,3,）由（3）式得,即厚度为l的晶片可使O光与e光的光程差为k,这种晶片称为全波片或波片.将=2k代入（6）式,得可见,=2k时,O光经过全波片后,其合振动为平面偏振光,其振动方向与入射偏振光的振动方向平行.讨论（2）当当 =(2k+1) , k=0, ,1, ,2, ,），由由（3）式式及及(no-ne)L=(2k+1) /2 , ,此此时时晶晶片片厚厚度度可可使使O光光与与e光光的的光光程程差差为为 (2k+1) /2 , ,此此波波片片称称为为半半波波片片. .这这样的合振动仍为平面偏振光,不过振动方向相对原入射光的振动方向转过2角度讨论（3）当当 =(2k+1) /2, ,（k
12、=0, ,1, ,2, ,3, ,），则则光光程程差差为为(no-ne)L=(2k+1) /4, ,此此晶晶片片厚厚度度可可使使O光光与与e光的光程差为光的光程差为 /4, ,此晶片为此晶片为1/4波波片片. .若若O光与光与e光的振幅相等光的振幅相等, ,即即A0=Ae, ,则（则（9）式变为）式变为 此合成光圆偏光.当不为以上各值时,各振动为不同长短轴组合的椭圆偏振光.椭圆偏振光的长轴和短轴的取向决定于入射偏振光方向与晶片光轴间的夹角.当=0,/2时得线偏振光,=/4时得圆偏振光. 4.偏振光的鉴别( (1) )自然光和线偏振光的鉴别自然光和线偏振光的鉴别( (1) )自然光和线偏振光的鉴
13、别自然光和线偏振光的鉴别根根据据马马吕吕斯斯定定律律I=I0cos2 ，当当 =0 时时, ,I=I0光光强强不不发发生生变变化化. .当当 =90 ，I=0. .因因此此把把检检偏偏器器对对着着入入射射光光, ,旋旋转转检检偏偏器器, ,若若光光强强不不发发生生变变化化, ,则则入入射射光光为为自自然然光光或或圆圆偏偏振振光光. .若若检检偏偏器器旋旋转转一一周周, ,透透射射光光有有两两次次最最亮亮( (与与入入射射光光一一样样) )和和两两次次完完全全黑黑暗暗, ,则则入入射射光光应应为为线线偏振光偏振光. .( (2) )自然光与圆偏振光的鉴别自然光与圆偏振光的鉴别在在检检偏偏器器前前
14、加加一一个个1/4波波片片, ,此此时时若若无无论论检检偏偏器器旋旋转转到到什什么么位位置置, ,光光强强I I始始终终不不变变, ,则则此此入入射射光光为为自自然然光光. .而而圆圆偏偏振振光光经经过过四四分分之之一一波波片片后后, ,成成为为一一线线偏偏振振光光. .在在旋旋转转检检偏偏器器时时, ,可可以以观观察察到到( (1) )中中所所述述现象现象. .偏振光的鉴别( (3) )椭圆偏振光与部分偏振光的鉴别椭圆偏振光与部分偏振光的鉴别在检偏器的前加一个在检偏器的前加一个1/4波片波片, ,然后旋转偏振器进行观察然后旋转偏振器进行观察, ,此此时时1/4波片的光轴应与只用检偏器观察时透射光为极大或极波片的光轴应与只用检偏器观察时透射光为极大或极小的方向重合小的方向重合, ,此时若有一位置视场全暗此时若有一位置视场全暗, ,则入射光为椭圆则入射光为椭圆偏振光偏振光, ,否则为部分偏振光否则为部分偏振光. . 实验内容 鉴别自然光和偏振光鉴别自然光和偏振光 反射起偏反射起偏 考察偏振光通过考察偏振光通过 /2波片和波片和 /4波片时的波片时的现象现象
